北京科技大学铸造合金及制备工艺42-铸造黄铜及制备工艺

铸造合金及制备工艺材料科学与工程学院材料成形与控制工程系毛卫民4.2.3铸造黄铜¦黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金。¦与青铜相比，黄铜的力学性能较高、铸造性能较好、成本较低，所以黄铜的应用更广泛。¦与锡青铜和铝青铜相比，黄铜的抗腐蚀性能较差。¦下面分别叙述铸造黄铜的相图、组织、性能及牌号。4.2.3.1铸造二元黄铜¦铸造二元黄铜的相图和组织f二元黄铜的平衡相图如左图所示；二元黄铜的平衡相图二元黄铜的平衡相图f二元黄铜的平衡组织从相图看，当Zn≤60wt%时，黄铜组织中可能出现的合金相有α、β、γ。α相为Zn固溶在Cu中形成的固溶体，具有面心立方结构和良好的塑性；β相为以电子化合物CuZn为基的固溶体，具有体心立方结构，其强度和硬度比α相高；γ相为以电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，具有复杂立方结构，硬度高和脆性大，工业黄铜中不允许出现γ相；平衡相图中还可能有β′，β′相为β相的有序化固溶体，比β相的硬度高、脆性大；有序化发生在456~468℃，但在一般冷却条件下，有序化难以发生；在250℃和极其缓慢冷却条件下，会发生共析反应：β′→α+γ，但在一般凝固条件下，该反应被抑制了。f二元黄铜的非平衡组织在铸造条件下凝固，黄铜容易发生枝晶偏析，造成α相区缩小，使(α+β)相区向高铜方向偏移，如当Zn量为30wt%时，黄铜的铸态组织不是单相的α，而是(α+β)两相，只有经过700℃下退火，β才会转变为α相，才会获得单一α相的黄铜组织；含Zn为35wt%的黄铜铸态组织为(α+β)；当Zn为36~45wt%时，刚凝固完毕的铸态组织为单相β，在随后的降温中，由β相中析出α相，黄铜的最终铸态组织为(α+β)两相。当Zn为45~47wt%时，黄铜的铸态组织为单相β；当Zn量大于50wt%时，黄铜的铸态组织β+γ；γ相首先沿β相界析出，而后在β晶粒内析出；这种黄铜太脆而失去使用价值。Zn对黄铜力学性能的影响¦铸造二元黄铜的力学性能fZn对黄铜力学性能的影响如左图所示；f由左图可知：当Zn＜32wt%时，Zn可完全固溶于α相中，所以，当Zn量增加时，黄铜的σb、δ均上升；当Zn＞32wt%时，黄铜组织中开始出现β相，σb继续上升，但δ已开始下降；当Zn量达到45∼47wt%时，黄铜的组织为单一的β相，此时σb达到最高值，但δ已明显降低；如果Zn量合适，在降温过程中，从β相中会析出α相，但α相为软质点，无沉淀强化作用，所以黄铜不能进行热处理沉淀强化。¦二元黄铜的铸造性能f铸造二元黄铜的结晶间隔小，仅有30~40℃，所以黄铜的流动性好；黄铜的Zn含量较高，Zn易于蒸发，所以黄铜含气少，一般不会出现气孔缺陷。f铸造二元黄铜的体收缩较大，但黄铜的结晶间隔小，所以易于形成集中缩孔，形成缩松的倾向小，容易获得致密铸件。f黄铜的线收缩较大(1.5~1.8%)，因此铸件的残余应力较大，加剧了应力腐蚀。¦铸造二元黄铜的牌号f铸造二元黄铜也称为普通铸造黄铜；f铸造二元黄铜只有一个牌号：ZH62，即Zn37∼40wt%，σb≮300MPa，δ≮30%；f铸造二元黄铜的组织如下图所示。普通黄铜ZH62的组织(a)铸态组织(b)退火组织α固溶体α+β两相(a)(b)α固溶体小黑点为β相4.2.3.2铸造多元黄铜¦铸造二元黄铜的强度不太高，耐腐蚀性不好，容易发生脱锌腐蚀，所以，为了进一步提高二元黄铜的强度和耐腐蚀性，对二元黄铜进行合金化，发展了多元黄铜。¦多元铸造黄铜也称为特殊铸造黄铜。¦脱锌腐蚀：这是黄铜特有的腐蚀现象，即在电解质中，黄铜中的富铜相与富锌相之间将产生电化学腐蚀，加剧了电极电位较低的富锌相的腐蚀，这种现象称为脱锌腐蚀；Zn被优先腐蚀后，零件表面出现多孔海绵状铜。¦下面分别叙述铸造多元黄铜的组织、性能及牌号。¦铸造锰黄铜f在铸造二元黄铜的基础上加入适量的Mn就形成了锰黄铜。fMn的两个作用加入Mn后，可在一定程度上防止二元黄铜的脱锌腐蚀，提高黄铜在海水或含氯介质中的抗腐蚀性能；当Mn量为1∼3wt%时，Mn固溶于α相中，可显著提高黄铜的强度，但不会降低塑性。f铸造锰黄铜的牌号铸造锰黄铜只有3个牌号。ZHMn58-2：这是常见的铸造三元锰黄铜，化学成分Cu57∼60wt%，Mn1∼2wt%，其余为Zn；力学性能(金属型铸造)σb≮400MPa，δ≮25%，HB≮90，比二元黄铜有较大的提高，可制造在淡水和静止海水中工作的阀门等，但在流动的海水中仍有脱锌腐蚀发生；ZHMn58-2的凝固组织为(α+β)，如下图所示。黄铜ZH58-2的铸态组织白色α+黑色基体β浅色的α相黑色的β基体ZHMn58-2-2(Pb)：在ZHMn58-2中加入2wt%的Pb可提高耐磨性、充型能力和切削性能，但会降低力学性能。可用于压铸合金，浇注温度约900℃。ZHMn55-3-1(Fe)：在锰黄铜中再加入Fe，可显著细化晶粒，提高力学性能、耐蚀性能和耐热性能；但Fe在黄铜中溶解度很小，加入过多的Fe会形成FeZn10相，降低性能，所以Fe量控制在1wt%左右；化学成分Cu53∼58wt%，Mn3∼4wt%，Fe0.5∼1.5wt%，其余为Zn；力学性能很高(金属型或砂型铸造)σb450∼600MPa，σs250MPa，δ24%，HB140，比二元黄铜有较大的提高，凝固后的铸态组织为β+α，如下图所示。ZHMn55-3-1的凝固后的铸态组织浅色α相深色β基体浅灰色颗粒状Fe相¦铸造铝黄铜f在铸造二元黄铜的基础上加入适量的Al就形成了铝黄铜；fAl的两个作用加入Al后，首先与腐蚀介质发生作用，可在黄铜表面形成一层致密的Al2O3保护膜，显著降低黄铜的脱锌腐蚀，提高黄铜在大气、海水或稀硫酸介质中的抗腐蚀性能；Al对黄铜有很强的固溶强化能力，显著提高强度，但降低塑性，所以Al量一般7wt%。f铸造铝黄铜的牌号ZHAl67-2.5：这是铸造三元铝黄铜，Cu66~68wt%，Al2~3wt%，其余为Zn；在砂型铸造条件下，σb≮300MPa，δ≮12%，HB≮80；在金属型铸造条件下，σb≮400MPa，δ≮15%，HB≮90；可铸造一般抗蚀零件。ZHAl66-6-3-2.化学成分Cu64~68wt%，Al6~7wt%，Fe2~4wt%，Mn1.5~2.5wt%，其余为Zn；.加入Fe后，α相只能溶解0.1~0.2wt%的Fe，多余的Fe将形成FeZn，可做为α相的结晶核心，细化晶粒，提高强度和硬度；若Fe3wt%，将在α晶界析出FeZn相，并易于聚集，导致铝黄铜的强度、塑性、耐蚀性下降，所以铝黄铜中Fe量一般为1~3%；.ZHAl66-6-3-2的铸态组织如下图所示。ZHAl66-6-3-2的铸态组织灰色的β基体星状的γ相细小的黑色颗粒为Fe相.在砂型铸造条件下，σb≮600MPa，δ≮7%，HB≮160；在金属型铸造条件下，σb≮650MPa，δ≮7%，HB≮160；.ZHAl66-6-3-2属于β型黄铜(组织中无α相)，强度高、硬度高，抗空泡腐蚀性能高，但塑性、疲劳强度、腐蚀疲劳强度比(β+α)型黄铜较低，逐渐为(β+α)型黄铜所取代。ZHAl67-5-2-2.化学成分Cu60~70wt%，Al5~6wt%，Fe2~3wt%，Mn2~3wt%；.力学性能很高，σb600∼720MPa，δ10∼25%，HB170∼230；.该黄铜属于(β+α)型黄铜，强度高、硬度高、塑性高，抗空泡腐蚀性能和腐蚀疲劳强度比ZHMN55-3-1高，可铸造船用螺旋桨，但脱锌腐蚀较严重。¦铸造硅黄铜f在铸造二元黄铜的基础上加入适量的Si就形成了铸造硅黄铜。fSi的三个作用加入Si后，可在黄铜表面形成一层SiO2膜，提高黄铜在大气、蒸汽介质中的抗腐蚀性能，但在流动的海水中该黄铜的脱锌腐蚀仍较严重；Si具有很强的固溶强化能力，当Si量较低时，提高强度和硬度，塑性下降较少；当Si量较高时，强度、硬度虽然还可增加，但塑性下降较多，所以，Si量一般≯4wt%;Si会显著降低黄铜的TL，提高黄铜的流动性，如在20wt%Zn的黄铜中加入3.5wt%Si后，黄铜的TL从1000℃下降至890℃；易于形成集中缩孔，铸件致密，故铸件的耐水压性能良好，常制造淡水和蒸汽管道中的各种阀体。f铸造硅黄铜的牌号ZHSi80-3.化学成分，Cu79~81wt%，Si2.5~4.5wt%，其余为Zn；.力学性能，σb300∼460MPa，δ15∼20%，HB95∼120；铸造硅黄铜的力学性能属于中等，但明显高于铸造青铜；.ZHSi80-3的铸态组织如下图所示。ZHSi80-3的铸态组织块状的α相枝晶状的β相ZHSi80-3-3.化学成分，Cu79~81wt%，Si2.5~4.5wt%，Pb2~4wt%，其余为Zn；.加入少量的Pb，可提高黄铜的耐磨性，而力学性能下降不明显，但降低了合金的充填能力和气密性；力学性能，σb250∼400MPa，δ15∼20%，HB90∼100；该铸造硅黄铜可铸造轴承、轴套零件。¦铸造铅黄铜f在铸造二元黄铜的基础上加入适量的Pb就形成了铸造铅黄铜。fPb的两个作用Pb不溶于α相，独立分布在α相周围，起减摩作用，因此，铸造铅黄铜是良好的轴承材料；Pb可润滑刀具和断屑，改善了黄铜的切削加工性能。f铸造铅黄铜的牌号ZHPb59-1.化学成分：Cu57∼61wt%，Pb0.5∼1.9wt%，其余为Zn；.力学性能：σb200∼420MPa，δ27%，HB80∼90；.由于Pb的密度大，凝固时易发生比重偏析，要采取工艺措施予以防止；.铸造铅黄铜的显微组织如下图所示。铅黄铜ZH59-1的铸态组织白色α+黑色β+Pb质点白色α相灰色β基体4.2.4铸造铜合金的制备工艺¦铸造铜合金的制备工艺主要涉及熔化、吸气、精炼等内容。4.2.4.1铸造铜合金中的一些物理化学反应¦在纯铜或铜合金的制备中，存在一些基本的反应或作用，这些反应或作用将会影响到纯铜或铜合金的熔炼质量，分别论述如下。¦Cu-O之间的化学反应f在熔化状态下，Cu液与O2会发生如下反应：OCuO22212Cu=+Cu2O能有限地溶解在纯铜液中，其溶解度随温度的升高而增大。f超过溶解度的Cu2O的分布当Cu2O超过某一温度下的饱和溶解度时，Cu2O将不再溶解，而呈游离状态；因为Cu2O的密度约为6g/cm3，远小于铜液的密度，所以游离态的Cu2O分布在纯铜液的表面；当温度≤1200℃时，Cu2O处于固态，而Cu2O与氧化时所消耗的Cu的体积之比是1.71，所以这层固态的膜是致密的，能有效防止铜液的继续氧化；当温度为1200∼1230℃时，游离的Cu2O将处于液态，氧原子能在其中扩散，使铜液继续氧化，所以液态Cu2O膜不能阻止铜液的氧化，而纯铜的熔炼温度都会超过1200℃Æ纯铜的熔炼都需覆盖Cu-O状态图f溶解氧的影响若铜液中溶解的氧含量达到0.39wt%，在凝固过程中，在1066℃时会发生共晶反应：L=α-Cu+Cu2O该反应如左图所示。共晶体(α-Cu+Cu2O)分布在α-Cu的晶界，Cu2O夹杂物呈脆性，使纯铜的塑性、导电性显著降低。如果铜液中溶解的H比较多，还会发生下述反应：Cu2O+H2——2Cu+H2O↑.生成的水蒸汽使凝固时的铸件膨胀，使铸件中产生气孔、缩松等缺陷。f铜合金中O的分布铜合金中一般都要加入相应的合金元素，如Al、Si、Mn、Zn、P、Sn、Fe、Pb、Ni等，这些合金元素与氧之间的亲和力比Cu与氧之间的亲和力大；当加入与氧亲和力更大的合金元素时，会发生下述反应：Cu2O+Me=MeO+2Cu即形成相应的氧化物；生成的Al2O3、SiO2、MnO、ZnO、SnO2等的熔点都很高，均不溶于铜液，在铜合金液中呈固态夹杂物；虽然它们的密度均小于铜液，但它们呈弥散分布，难以从铜液中去除，最终会形成夹杂物而降低铜合金的力学性能和气密性；虽然生成的PbO处于液态，但与铜液的密度相差不大，也难以去除；生成的NiO可溶于铜液，但在凝固时，NiO的溶解度急剧下降，将会形成(α-Cu+NiO)共晶体，损害铜合金的塑性；生成的P2O5不溶于铜液，在铜液温度下就被气化而